Etude des performances de phytoextraction du Zn et du Cd de l’hyperaccumulateur Arabidopsis halleri en co-culture avec Salix viminalis

Zn and Cd phytoextraction performances of the hyperaccumulator Arabidopsis halleri in co-cultivation with Salix viminalis

• Auteur / Autrice : Arnaud Grignet
• Direction : Anissa Lounès-Hadj Sahraoui, Valérie Bert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies agroalimentaires, sciences de l'aliment
• Date : Soutenance le 20/05/2021
• Etablissement(s) : Littoral
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de chimie environnementale et interactions sur le vivant - Unité de Chimie Environnementale et Interactions sur le Vivant
• Partenaire(s) de recherche : financeur : Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (France) - Hauts-de-France. Conseil régional
• Partenaire(s) de recherche : . : Institut national de l'environnement industriel et des risques (France)
• Jury : Président / Présidente : Nausicaa Noret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Mench, Damien Blaudez, Catherine Sirguey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Mench, Damien Blaudez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols -- Pollution par les métaux lourds

Plantes -- Effets de la pollution

Biotechnologie appliquée à l'environnement

Déchets -- Élimination

Sols -- Pollution

Mots clés libres

Phytoextraction

Arabidopsis halleri

Salix viminalis

Pratiques agronomiques

Valorisation biomasse

Phytoextraction

Arabidopsis halleri

Salix viminalis

Agronomic practices

Biomass valorization

Résumé

La phytoextraction a pour objectif de réduire partiellement la pollution des sols. Ce mode de gestion de terre polluée in situ évite leur excavation, transport et mise en site de stockage. Pour alimenter les retours d’expérience en conditions réelles et sur le long terme, une expérimentation de phytoextraction du Zn et du Cd par une co-culture d’Arabidopsis halleri et de Salix viminalis sur un site urbain contaminé avec des teneurs moyennes en Cd et en Zn de 1,7 et 616 mg kg-1, respectivement, a été mise en place en 2013 à Montataire (Oise, France). Mes travaux de thèse s’inscrivent dans ce contexte et contribuent à alimenter les connaissances liées au déploiement de la phytoextraction in situ. Ils avaient pour objectifs d’étudier (i) les transferts de métaux sol- plantes- herbivores, (ii) les risques environnementaux potentiels associés (iii) l’impact de la pollution métallique et d’un couvert végétal sur le fonctionnement biologique du sol et (iv) d’identifier les conditions optimales pour la valorisation des biomasses produites par l’étude des effets de plusieurs pratiques culturales. L’efficacité de phytoextraction de A. halleri et S. viminalis a été démontrée. Les deux espèces se sont bien adaptées aux conditions du site (pH basique). Les concentrations foliaires en Zn des deux espèces sont largement supérieures aux valeurs physiologiques et en Cd supérieures aux valeurs ordinaires confirmant les caractères tolérants et accumulateurs de ces espèces pour ces deux éléments. Les pratiques agronomiques testées (fertilisant NPK+S, fauche, co-culture) ont permis d’augmenter le potentiel de phytoextraction d’A. halleri (biomasse et/ou accumulation d’ET (élément trace)). Nos résultats ont également montré que la pré-inoculation des saules par un inoculum mycorhizien commercial à base de CMA était possible. Cependant, A. halleri n’était pas mycorhizable par les inoculums mycorhiziens testés dans les conditions expérimentales de notre étude et, ce, quelles que soient les conditions de culture (en présence ou en absence de fertilisant NPK, in situ ou en pot en présence d’une plante nurse) et quels que soient les stades de développement (rosette, floraison et fructification). Toutefois, nous avons montré que la colonisation racinaire d’A. halleri était possible en utilisant un champignon endophyte Piriformospora indica. Les ET ont un effet négatif sur le fonctionnement biologique du sol (biomasse microbienne, activité enzymatique, biomasse et abondance des vers de terre). L’utilisation du saule en couvert végétal à un effet bénéfique sur certains paramètres biologiques du sol (biomasse des vers de terre, activité enzymatique microbienne déhydrogénase) par rapport au sol non végétalisé. Plus les parties aériennes d’A. halleri sont enrichies en Zn et en Cd et moins elles sont consommées ce qui suggère un lien direct entre les concentrations en Zn et Cd et la défense face aux herbivores chez cette espèce. Au contraire, aucun lien n’a été établi avec les concentrations et la nature des glucosinolates. Sur la base des concentrations en ET dans la biomasse produite (S. viminalis ; A. halleri ; adventices) sur le site d’expérimentation, plusieurs voies de valorisation semblent émerger : la production d’écocatalyseur de Zn (A. halleri, feuilles de S. viminalis), combustion (S. viuminalis tronc) et le compostage et la méthanisation pour les adventices du site.

Phytoextraction aims at partially reducing soil pollution. This in situ polluted soil management method avoids its excavation, transport and disposal. In order to provide feedback in real conditions and on the long term, an experiment of phytoextraction of Zn and Cd was set up in 2013 in Montataire (Oise, France) by co-cultivating Arabidopsis halleri and Salix viminalis on a contaminated urban site (average Cd and Zn contents of 1.7 and 616 mg kg-1, respectively). My thesis work is part of this experiment and contributes to the knowledge related to the deployment of in situ phytoextraction. The objectives were to study (i) soil-plant-herbivore metal transfers, (ii) potential associated environmental risks, (iii) the impact of metal pollution and a plant cover on the biological functioning of the soil and (iv) to identify optimal conditions for the valorization of the biomass produced by studying the effects of several cultural practices. The phytoextraction efficiency of A. halleri and S. viminalis was demonstrated. Both species adapted well to the site conditions (basic pH). Zn leaf concentrations in both species were well above physiological values and Cd was above normal values confirming the tolerant and accumulating characteristics of these species for this two elements. The agronomic practices tested (NPK+S fertilizer, mowing, co-cultivation) increased the phytoextraction potential of A. halleri (biomass and/or TE accumulation). Our results also showed that pre-inoculation of willows with a commercial mycorrhizal inoculum was possible. However, A. halleri was found to be not mycorrhizable in our exprimental conditions, regardless of the growing conditions (in the presence or absence of NPK fertilizer, in situ or in pots in the presence of a nurse plant) and regardless of the developmental stages (rosette, flowering and fruiting). However, we showed that root colonization of A. halleri was possible using an endophytic fungus Piriformospora indica. Trace elements have a negative effect on soil biological functioning (microbial biomass, enzymatic activity, earthworm biomass and abundance). The use of willow as a vegetation cover has a beneficial effect on several soil biological parameters (earthworm biomass, the microbial enzyme activity dehydrogenase) compared to the non-vegetated soil. The more the aerial parts of A. halleri are enriched in Zn and Cd, the less they are consumed, suggesting a direct link between Zn and Cd concentrations and defense mechanisms against herbivores in this species. Conversely, no link was established with the concentrations and nature of glucosinolates. Based on the TE concentrations in the biomass produced (S. viminalis; A. halleri; colonizer plant) on the experimental site, several valorization pathways seem to emerge with Zn ecocatalyst production (A. halleri, S. viminalis leaves), combustion (S; viminalis trunk) and composting as well as methanization for colonizer plant on the site.